납땜

3. 응용

납땜은 전자 부품을 인쇄 회로 기판(PCB)에 조립하는 것 외에도 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, 다음과 같은 분야에서 활용된다.

• 배관 설비: 구리관 연결^[3]
• 판금 객체 이음새 제작: 식품용 캔, 지붕 방수, 배수로, 자동차 라디에이터 등^[3]
• 보석 조립 및 수리^[3]
• 스테인드글라스 가공: 납 캐임과 동박 결합^[3]
• 그릇이나 용기의 구멍 보수^[3]

3. 1. 전자 제품

• 수동 납땜: 납땜인두를 사용하여 사람이 직접 납땜하는 방식이다.
• 웨이브 솔더링: 대량 용기의 흐르는 납땜 용융물 위에 PCB를 통과시켜 납땜하는 방식이다. 부품을 설치하고 때로는 움직임을 방지하기 위해 접착제를 소량 바르거나 고정구를 사용한다. 납땜 용융물의 흐름은 정재파를 만들도록 강제되어 PCB 전체가 아닌 핀과 패드에만 접촉한다.
• 리플로우 솔더링: 솔더 페이스트를 사용하여 부품을 부착 패드에 고정한 다음, 적외선 램프, 핫에어 펜 또는 정밀하게 제어되는 오븐을 통과시켜 가열하는 방식이다.

3. 2. 배관 설비

• 튜브와 피팅은 광택이 없는 베어 메탈로 청소해야 한다.
• 튜브 가열로 형성되는 압력은 출구가 있어야 한다.
• 접합부는 건조해야 한다(수도관을 수리할 때 어려울 수 있음).

3. 3. 금속 가공

3. 4. 기타

4. 방법

납땜은 땜납을 녹이는 방법에 따라 다양한 종류가 있다. 파동 납땜은 녹은 땜납을 용기에 통과시키는 방식이고, 적외선 램프를 사용하는 방법도 있다. 전기 납땜인두를 이용한 가열, 토치를 사용한 경납땜, 뜨거운 공기를 사용하는 방법 등이 있다. 최근에는 표면실장 인쇄 회로 기판 조립에 역류 납땜이 주로 사용되며, 핀이 많은 커넥터나 특이한 모양의 부품은 수동 납땜을 한다.

납땜 과정에서 기본 금속이 녹지는 않지만, 일부 원자는 액체 땜납에 녹아들어 이음새의 기계적, 전기적 특성을 향상시킨다. "냉납"은 기본 금속이 충분히 가열되지 않아 땜납이 제대로 녹지 않은 상태를 말한다.

연납땜과 경납땜은 땜납의 녹는점에 따라 구분된다. 450°C는 일반적으로 경납땜의 최소 온도로 사용된다. 경납땜은 연납땜보다 더 높은 온도가 필요하므로 일반적인 납땜인두로는 불가능하며, 별도의 장비가 필요하다. 경납땜은 땜납보다 구조적으로 강하고 전기 전도도도 우수하며, 고온에서도 잘 견딘다. "경질납땜"이나 "은납땜"은 은을 40% 포함한 고온 땜납을 사용하므로 경납땜의 한 형태로 간주되기도 한다. 그러나 "은납땜"은 땜납의 녹는점을 기준으로 할 때 기술적으로 정확한 용어는 아니다.

다양한 용도에 맞춰 여러 종류의 납땜 도구가 제작된다. 필요한 열은 연료 연소, 전기 가열, 또는 납땜할 물체에 전류를 흘려 발생시킬 수 있다. 납과 플럭스를 접합부에 놓고 오븐에서 가열하는 방법도 있다. 토스터 오븐이나 휴대용 적외선 조명은 소규모로 생산 납땜 공정을 재현하는 데 사용된다. 납땜 폿을 사용하면 부품을 액체 납에 담그거나, 액체 납 펌프가 부품을 빠르게 통과시키는 높은 "파동"의 납을 생성할 수 있다. 웨이브 솔더링은 표면 장력을 이용하여 납이 인쇄 배선 기판/인쇄 회로 기판의 구리 라인 사이 절연 간격에 브리징되는 것을 방지한다.

전기 납땜 인두는 수동 납땜에 널리 사용되며, 가열 요소와 구리 팁으로 구성된다. 다양한 팁을 장착할 수 있으며, 일반 구리 팁은 뜨거운 납에 부식될 수 있으므로 철로 도금하기도 한다. 온도 조절 기능이 없는 인두는 소형 인두는 금속 섀시 납땜 시 빠르게 식고, 대형 인두는 인쇄 회로 기판(PCB) 작업에는 부피가 크다. 25W 인두는 대형 전기 커넥터 등에 충분하지 않고, 100W 인두는 PCB에 과열될 수 있다. 온도 조절식 인두는 예비 전력이 있어 다양한 작업에 적합하다.

납땜 건은 큰 AC 전류를 통과시켜 구리 팁을 빠르게 가열한다. 내장 변압기 때문에 납땜 건은 가열 요소 납땜 인두보다 크고 무겁다. 가스식 인두는 촉매 팁을 사용하여 불꽃 없이 비트를 가열하며, 휴대용으로 사용된다. 열풍 건과 펜슬은 표면 실장 장치 수리에 유용하다.

비전자 분야에서는 납땜 토치가 불꽃을 사용하여 납을 가열한다. 부탄^[20]으로 작동하는 소형 장치부터 대형 산소 연료 토치까지 다양하다. 프로판 토치는 파이프 납땜에 사용될 수 있다. 납땜 구리는 큰 구리 헤드와 긴 손잡이를 가진 도구로, 불꽃으로 가열하여 판금에 열을 가하는 데 사용된다. 헤드 무게는 약 0.45kg에서 약 1.81kg 사이이며, 큰 열 용량을 제공한다. 역사적으로 자동차 차체 작업에 사용되었지만, 차체용 납땜은 스폿 용접과 비금속 충전재로 대체되었다.

제2차 세계 대전 중 SOE 부대는 발열성 자체 납땜 조인트를 사용하여 폭발물 원격 폭파 연결을 만들었다.

4. 1. 연납땜

4. 2. 경납땜

4. 3. 납땜 종류

• 파동 납땜: 녹은 땜납을 보관하는 용기에 소량을 통과시키는 방식이다.
• 역류 납땜: 표면실장 인쇄 회로 기판 조립에 주로 사용된다.
• 적외선 납땜: 적외선 램프를 사용한다.
• 유도 납땜
• 초음파 납땜
• 딥 납땜: 부품(플럭스 포함)을 작은 가열된 철제 용기의 액체 납에 담그는 방식이다.
• 노 납땜
• 철 납땜: 전기 납땜인두를 사용한다.
• 저항 납땜: 납땜할 부품에 전류를 흘려서 납을 녹이는 방식이다. 금속에 전류가 흐르면 열이 발생하는데, 이 전류가 단면적이 더 작은 부분으로 제한되면 전체 회로에서 발생하는 열이 단면적이 감소된 부분에 집중되는 원리를 이용한다.
• 토치 납땜: 토치를 사용한다.
• 은 연납땜/경납땜

5. 땜납

땜납은 여러 가지 합금으로 만들어지며, 그 쓰임새에 따라 알맞은 것을 골라 써야 한다. 전자 부품 조립에는 주석 63%와 납 37%의 공융합금(60/40도 거의 같은 성질을 가짐)이 주로 쓰인다.

일반적인 땜납으로는 주석-납, 알루미늄 접합을 위한 주석-아연, 상온 이상의 강도를 위한 납-은, 고온에서의 강도를 위한 카드뮴-은, 알루미늄 및 내식성을 위한 아연-알루미늄, 그리고 전자 제품을 위한 주석-은 및 주석-비스무트 등이 있다. 배관, 기계 조립 등 다른 용도에는 이러한 합금들이 사용된다.

공융합금 조성은 액상선과 고상선 온도가 같으므로 플라스틱 상이 없으며, 가능한 가장 낮은 녹는점을 가진다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 땜납이 가열될 때 젖음성이 빨라지고 냉각 시 빠르게 굳어, 전자 부품에 열로 인한 부담을 줄여준다. 비공융 조성은 온도가 액상선과 고상선 사이를 지날 때 움직이면 균열이 생겨 접합부의 신뢰성이 떨어질 수 있다.

환경 문제와 유럽의 유해물질 제한지침(RoHS) 같은 규제로 인해, 최근에는 무연 땜납이 널리 쓰이고 있다. 어린아이들이 만질 수 있거나 비에 납이 씻겨 지하수로 들어갈 수 있는 곳에서는 무연 땜납을 쓰는 것이 좋다. 그러나 일반적인 무연 땜납은 공융합금이 아니고, 약 220°C에서 녹기 때문에^[4] 믿을 만한 접합부를 만들기 더 어렵다.

5. 1. 주석-납 합금

비공융 조성의 합금은 온도가 액상선과 고상선 사이를 지날 때 움직임이 발생하면 균열이 생겨 접합부의 신뢰성이 저하될 수 있다.

5. 2. 무연 땜납

5. 3. 기타 합금

6. 융제 (플럭스)

융제는 고온 금속 결합 과정(용접, 경납땜, 연납땜)에서 기본 물체와 땜납이 닿는 부분의 산화를 방지한다. 예를 들어, 주석 납은 구리에 잘 붙지만, 납땜 온도로 인해 빠르게 형성되는 산화 구리에는 잘 붙지 않는다. 융제는 상온에서는 비활성 물질이지만, 고온에서는 강하게 산화·환원 반응하여 금속 산화를 막는다.^[17] 또한, 땜납의 흐름을 개선하는 계면 활성제처럼 작용한다.

일반적으로 수용성 융제와 무세척 융제가 사용된다. 수용성 융제는 휘발성 유기 화합물을 사용하지 않고 물로 제거할 수 있다. 무세척 융제는 부드러워서 제거할 필요가 없지만, 생산 설비에는 적합해도 일반적인 수작업 납땜에는 비효율적일 수 있으므로 주의해서 사용해야 한다.

전통적인 로진 융제는 비활성화(R), 약활성화(RMA), 활성화(RA) 형태로 제공된다. RA 및 RMA 융제는 산성이어서 주변 산소를 제거하여 금속이 수분에 노출되는 빈도를 줄인다. RA 융제 잔여물은 부식성이 강해 반드시 세척해야 한다. RMA 융제는 잔여물이 심각한 부식을 일으키지 않아 세척이 필수는 아니지만, 하는 것이 좋다.

6. 1. 종류

• 수용성 플럭스: 납땜 후 물로 제거할 수 있는 활성이 높은 플럭스이다. (VOC 제거 불필요)^[8]
• 무세척 플럭스: 잔여물이 비전도성, 비부식성이어서 제거가 "필요 없을" 정도로 온화하다.^[8] 하지만, 흰색 잔여물이 남을 수 있다.^[19]
• 로진 플럭스: 비활성(R), 약활성(RMA), 활성(RA) 형태로 제공된다. RA 및 RMA 플럭스는 로진과 활성제(일반적으로 산)를 결합하여 금속의 젖음성을 높인다. RA 플럭스 잔여물은 부식성이 강해 세척이 필요하다. RMA는 잔여물이 덜 부식성이 되도록 만들어 세척이 선택 사항이지만, 일반적으로 하는 것이 좋다.

6. 2. 역할

7. 기본 납땜 기술 (전자 부품)

납땜할 부품과 기판은 습윤성과 열전도를 위해 깨끗하게 유지해야 한다. 납땜 인두는 깨끗한 상태에서 땜납을 묻혀 사용하며, 열 전도도가 나쁜 팁은 과열될 수 있다. 부품은 PCB에 정확히 실장하고, 파손 방지를 위해 기판에서 1~2mm 띄운다. 땜납은 부품 핀과 기판 패드에만 접촉시키고 인두에 직접 대지 않는다. 땜납이 녹아 흐르면 공급을 중지하고, 인두는 잠시 더 대고 있다가 뗀다. 땜납이 식을 때까지 움직이지 않게 하고, 주변 공기로 자연 냉각시킨다. 잘된 땜납은 부드럽고 빛나며, 거울처럼 반사된다. 남은 융제는 알코올이나 유기 용매, 증류수 등으로 제거한다.^[41]

전자 부품 납땜에는 융제 기반 로진과 60/40 주석/납 혼합 땜납이 주로 사용되며, 유럽 연합 환경법에서는 유해 물질 저감 추세에 따라 수성 융제 사용을 권장한다.

수동 납땜에는 납땜인두와 솔더 와이어가 사용된다. 솔더 와이어는 실 형태의 땜납으로, 플럭스를 포함한 심이 들어간 형태가 일반적이다. 초보자는 납땜 인두와 땜납을 접합부에 별도로 적용하는 것이 좋다. 충분한 땜납이 적용되면 땜납을 제거하고, 표면이 적절히 가열되면 땜납이 공작물 주위로 흐른 후 인두를 제거한다.

스루홀 부품은 과도한 리드를 잘라내고 패드 반지름 정도의 길이를 남긴다. 표면 실장 칩, 특히 볼 그리드 어레이(BGA)는 수동 재작업이 매우 어렵다.

수작업 납땜에 사용되는 도구는 다음과 같다.

8. 납땜 제거 및 재납땜

땜납은 재사용하면 안 된다. 납땜을 하면 땜납 물질 중 일부가 녹아버리기 때문이다. 기본 금속에 적합한 땜납이 한 번이라도 사용되면 혼합 공식이 변경되기 때문에, 더 이상 기본 금속의 결합에 적합하지 않게 된다.^[41]

재납땜하기 이전에, 이음새의 땜납은 반드시 제거해야 한다. 납땜 제거용 심지나 납땜 흡입기를 사용할 수 있다. 납땜 제거용 심지는 다양한 융제를 포함하고 있기 때문에, 구리 배선에서 땜납을 흡수하면서 기판을 세척할 수 있다. 재납땜을 하는 패드는 반드시 깨끗한 상태를 유지해야 한다.^[41]

9. 무연 전자 납땜

최근 환경법은 전자산업에서 널리 사용되는 납을 제한하고 있다. RoHS는 2006년 7월부터 유럽에서 시행된 지침으로 의료장비 및 건강에 밀접한 전자제품에 무연 납 사용을 권고하고 있다.

납 사용의 제한으로 인해 전자산업은 다양한 기술적 난관에 직면하게 되었다.

일반적인 무연 땜납은 기존 땜납보다 녹는점이 높아, 열에 민감한 전자부품과 플라스틱 패키지를 손상시킨다. 이 문제를 극복하기 위해, 기존 무연 땜납보다 녹는점이 낮은 고밀도 은과 무연을 합금한 땜납이 개발되었다.

무연 납땜의 대상은 전자 부품, 핀, 커넥터로 확대되었다. 소자의 금속은 구리, 주석, 은, 금등 다른 금속을 사용하게 되었다. 주석은 가장 인기있는 무연 납땜 재료지만 주석 휘스커를 처리해야 하는 문제가 있다. 이러한 제한은 전자산업이 1960년대에 납 추가로 해결한 문제를 다시 가져오게 했다. JEDEC는 무연 전자제조사가 생산한 제품과 관련된 휘스커 문제에 대응하기 위해 어떤 조항을 선택해야 하는지 돕기 위한 분류체계를 만들었다.

무연 납땜은 납/주석 납땜보다 더 높은 납땜 온도를 요구한다. 주석(Sn)과 납(Pb)의 63/37 공융 납땜은 183°C에서 녹는다. 주석-은-구리(SAC) 무연 납땜은 217~에서 녹는다.

그럼에도 불구하고, 이러한 노력으로 많은 새로운 기술적 과제가 발생했다. 주석 기반 납땜 합금의 녹는점을 낮추기 위해, 구리, 은, 비스무트와 같은 첨가제를 사용하여 녹는점을 낮추고 다른 특성을 제어하는 다양한 새로운 합금을 연구해야 했다. 또한, 주석은 부식성이 더 강한 금속이며, 결국 납땜조의 고장으로 이어질 수 있다.^[36]

무연 구조는 부품, 핀 및 커넥터로 확장되었다. 이러한 핀의 대부분은 구리 프레임을 사용하며, 납, 주석, 금 또는 기타 마감 처리를 했다. 주석 마감은 무연 마감 중 가장 인기가 있다. 그러나 이는 주석 수염을 어떻게 처리할 것인가에 대한 문제를 야기한다. 현재의 움직임은 전자 산업을 1960년대에 납을 추가하여 해결한 문제로 되돌리고 있다. JEDEC은 무연 전자 제조업체가 응용 분야에 따라 수염에 대비하여 어떤 조치를 취해야 할지 결정하는 데 도움이 되는 분류 시스템을 만들었다.

10. 납땜 결점

납땜 결점은 땜납 이음새가 정확하게 납땜되지 않은 상태를 말한다. 이러한 결점은 땜납 온도가 너무 낮을 때 많이 발생한다.

• '''냉납(Cold Solder Joint)''': 수동 납땜 시 가장 흔한 결함으로, 접합될 부품이 납의 액상선 온도 이상으로 가열되지 않아 발생한다. 땜납 인두로 부품 자체가 아닌 납을 직접 가열하면 주로 발생한다. 냉납 접합부는 전혀 전도되지 않거나 간헐적으로만 전도될 수 있으며, 대량 생산에서도 발생하여 장비 고장의 원인이 되기도 한다.^[39]
• '''건조 접합(Dry Joint)''': 땜납이 식는 동안 움직여서 발생한다. 공융점 이외의 땜납 합금은 소성 범위가 작기 때문에, 땜납이 액상선과 고상선 온도를 모두 통과하여 식을 때까지 접합부를 움직이지 않아야 한다. 냉납은 기계적으로 약하고 전기적으로도 전도성이 좋지 않다.
• '''과열''': 너무 높은 온도의 도구를 사용하면 민감한 부품이 손상될 수 있다. 인쇄 회로 기판(PCB) 과열은 박리(delamination)로 이어질 수 있는데, 특히 쓰루홀 도금이 없는 단면 PCB의 경우 구리 도선이 기판에서 들뜨는 현상이 발생할 수 있다.
• '''기타 결함'''
• '''땜납 울퉁불퉁''': 땜납 인두 온도가 너무 높아 땜납이 산화되거나, 온도가 너무 낮아 접합이 제대로 되지 않아 땜납이 울퉁불퉁한 상태를 말한다.
• '''눈알''': 땜납의 양이 적거나, 랜드와 부품 다리에 고르게 가열되지 않아 기판의 동박 부분에만 땜납이 되는 경우를 말한다.
• '''브리지''': 땜납의 양이 너무 많거나, 인두 끝이 마모되어 두꺼워진 상태로 가열하여 주변의 랜드나 부품 다리도 함께 가열되거나, 가열 시간이 길어지면 발생하는 불량이다.
• '''튀김 납땜''': 접합 부분의 오염이나 랜드 표면이 산화된 상태, 플럭스 양이 적은 등의 이유로 땜납이 표면에만 부착되어 접합이 충분히 되지 않는 경우를 말한다.
• '''인색한 납땜''': 납땜 사용량을 줄이기 위해 납땜 용융조의 온도 설정을 높였기 때문에, 납땜의 도포량이 적어져 발생하는 문제이다.

11. 기타

전자 작업에서는 주로 플럭스 코어 솔더 와이어를 사용하지만, 플럭스 펜이나 주사기 형태의 도구로 추가 플럭스를 사용하기도 한다.

일부 플럭스는 차가울 때 안정적이고 비활성이 되도록 설계되어 세척이 불필요할 수 있지만, 미관상의 이유나 특수한 경우(의료 기기, 군사 및 항공 우주 분야, 위성)에는 접합부 검사를 용이하게 하거나 무게를 줄이기 위해 세척하기도 한다. 고습 환경에서는 비부식성 플럭스도 약간 활성화될 수 있어 장기 부식 방지를 위해 제거하기도 한다.

부식성 플럭스는 납땜 후 잔류물이 접합부나 인쇄 회로 기판(PCB)을 부식시킬 수 있으므로 반드시 제거해야 한다. 물, 알코올, 아세톤 등 플럭스와 부품에 맞는 용매를 면봉이나 솔로 닦아낸다.

PCB와 솔더 접합부를 환경으로부터 보호하기 위해 래커 등의 보호 재료를 코팅하기도 한다.

11. 1. 스테인드글라스 납땜

• 도안 만들기 → 유리 자르기 → 유리 주위를 구리 테이프로 감싸기 → 구리와 구리의 납땜 → "블랙 파티나"라는 약품으로 납땜 부분을 검게 변색시키기

• 도안 만들기 → 유리 자르기 → 유리와 유리를 케임으로 연결하여 면을 조립하기 → 조립이 끝난 부분의 케임을 납땜하기 → 케임과 유리 사이의 틈을 퍼티로 채우기 → 케임 부분을 황산구리로 변색시키기 → 보강재 부착 및 납땜

11. 2. 파이프/기계 납땜

• 튜브와 피팅은 광택이 없는 베어 메탈로 청소해야 한다.
• 튜브 가열로 형성되는 압력은 출구가 있어야 한다.
• 접합부는 건조해야 한다(수도관을 수리할 때 어려울 수 있음).

11. 3. 능동 납땜

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